标准钢材：成分、性能与应用

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钢是大家族铁碳合金的统称，在凝固后的某温度范围内具有可锻性。

炼钢主要原料为铁矿石、煤、石灰石。经高炉转化为“生铁”，含大量碳、锰、硫、磷、硅。生铁硬脆，不宜直接轧制。炼钢是精炼生铁及废钢，去除有害元素并按预定量添加有益元素。主要反应为碳与氧生成气体。若浇注前未脱氧，气体在凝固中持续析出。若加脱氧剂强力脱氧，钢液在模中平静，称“镇静钢”。脱氧程度递减对应“半镇静钢”、“封顶钢”、“边沸钢”。脱氧程度影响钢性能。液钢还含氢、氮，关键应用需特殊脱氧和真空处理控制气体含量。

常用钢碳含量从万分之几到约1%。所有钢含锰（脱氧剂、利于热加工），硅、磷、硫痕量存在。其他元素可能作为残留或合金元素存在。

钢可直接浇铸成型，或将铸锭/铸坯重热轧、锻、挤压成型材。型钢是应用最广的工程材料，提供多样形式、表面、强度和使用温度范围，无他材料能比拟其产品设计通用性。

标准钢分类

型钢可按化学成分、脱氧方式、精整方法、产品形式系统分类。化学成分是识别和分配标准牌号最常用依据。虽碳是主要强化元素，但无单一元素控制钢特性。多元素综合影响热处理响应、硬度、强度、组织、耐腐蚀、成形性。标准钢大致分三大类：碳素钢、合金钢、不锈钢。

碳素钢

锰≤1.65%、硅≤0.60%、铜≤0.60%为碳素钢。除脱氧剂和指定硼外，不故意添加其他合金元素，但可作为残留存在。若残留元素有害，可规定最大限值。与大多数合金钢不同，碳素钢多不经最终热处理直接使用，但可退火、正火、表面硬化或调质以改善加工或力学性能。碳素钢可为镇静、半镇静、封顶、边沸，必要时可指定脱氧法。

合金钢

合金钢不仅包括超出碳素钢元素含量限值的牌号，也包括添加碳素钢以外元素（在特定范围或最小量）以改善力学性能、加工特性或其他属性的钢。按此定义，合金钢涵盖除碳素钢外所有钢；但惯例上，铬>3.99%视为“特种”合金钢，含不锈钢和许多工具钢。

技术上，合金钢指含适量合金元素（约1-4%）并依靠热处理发展特定力学性能的钢。合金钢总是镇静钢，关键应用可指定特殊脱氧或熔炼工艺（含真空）。合金钢制造全过程需额外小心，因其对热力学操作更敏感。

不锈钢

不锈钢属高合金钢，含较多铬，耐腐蚀远超碳素钢和常规低合金钢。其他元素虽也能提高耐腐蚀性，但作用有限。

不锈钢一般含铬≥10%，可含镍。美国惯例将含铬低至4%的钢也归入不锈钢，合称不锈耐热钢，部分强度极高、抗氧化强。少数铬>30%或铁<50%。

广义上，标准不锈钢按组织分三类：奥氏体、铁素体、马氏体。每类有一个基础通用合金，其他成分由基础衍生以获特定性能。

奥氏体钢退火态无磁，冷加工后微磁。仅冷加工硬化，不可热处理硬化，兼具优异耐腐蚀/耐热和宽温域良好力学性能。奥氏体分铬镍型和较少用的铬锰低镍型。铬镍基础称18-8（Cr-Ni），为通用奥氏体牌号，衍生出20多种改性：调整铬镍比改变成形性；降低碳防止晶间腐蚀；加铌/钛稳定组织；加钼或增铬镍提高耐腐蚀/抗氧化。

标准铁素体钢恒磁，含铬不含镍。可冷加工硬化，不可热处理硬化，兼具耐腐蚀/耐热、中等力学性能和装饰性。适用腐蚀范围窄于奥氏体。基础牌号含铬17%。该系列有易切削改性和增铬提高抗氧化皮的牌号。铁素体组中也有12%铬钢（马氏体基础成分）加铝/钛防硬化。

标准马氏体钢有磁性，可淬火回火硬化。含铬，除两例外无镍。基础牌号通常含铬12%。马氏体系列超10种标准成分：部分改善切削，部分加少量镍等改善力学性能或热处理响应；部分大幅增碳至工具钢范围，硬化程度最高。马氏体钢适用于大气、淡水、蒸汽、弱酸等温和环境，不耐强腐蚀溶液。

金属及合金编号体系

各行业协会、工程学会、标准组织、私营行业开发了多种金属合金编号体系。数字代码可能与规范（技术商业要求声明）相关也可能无关。现用体系包括AISI、SAE、ASTM、ANSI、美国钢铁铸造协会、ASME、AWS、铝业协会、铜业发展协会、美国国防部（军标）、总会计办公室（联邦规格）。

统一编号系统（UNS）由ASTM和SAE联合开发，关联不同商业地位的金属合金编号体系，避免同一材料多号或同号异材的混淆。重要的是UNS号不是规范，而是有详细规范的金属合金识别号。UNS号见表1，由字母前缀加五位数字组成。字母有时暗示金属家族，如A铝、C铜。UNS组号尽可能沿用其他体系序列以利识别，如AISI 1020钢对应UNS G10200。常用AISI-SAE号对应的UNS号见表2。

总结

本文描述主要标准钢类型。更多材料性能请参考《机械手册》第30版（Industrial Press出版，亚马逊有售）。

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